The search for the neutrinoless double beta (0nbb) decay is one of the most active fields in modern particle physics. This process is not allowed within the Standard Model and its observation would imply lepton number violation and would lead to the Majorana nature of neutrinos. The experimentally observed quantity is the half-life of the decay, which can be connected to the effective Majorana neutrino mass via nuclear matrix elements. The latter can only be determined theoretically and are currently affected by large uncertainties. To reduce these uncertainties one can investigate the well established two-neutrino double beta (2nbb) decay into the ground and excited states of the daughter isotope. These similar processes are allowed within the Standard Model. In this dissertation, the search for 2nbb decays into excited states is performed in Pd-110, Pd-102 and Ge-76. Three gamma spectroscopy setups at the Felsenkeller (Germany), HADES (Belgium) and LNGS (Italy) underground laboratories are used to search for the transitions in Pd-110 and Pd-102. No signal is observed leading to lower half-live bounds (90% C.I.) of 2.9e20 yr, 3.9e20 yr and 2.9e20 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-110 and 7.9e18 yr, 9.2e18 yr and 1.5e19 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-102, respectively. This is a factor of 1.3 to 3 improvement compared to previous limits. The data of Phase I (Nov 2011 - May 2013) of the 0nbb decay experiment GERDA at LNGS is used to search for excited state transitions in Ge-76. The analysis is based on coincidences between two detectors and finds no signal. Lower half-life limits (90 % C.L.) of 1.6e23 yr, 3.7e23 yr and 2.3e23 yr are obtained for the 2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions, respectively. These limits are more than two orders of magnitude larger than previous ones and could exclude many old matrix element calculations. In addition to the excited state searches, important measurements and improvements for GERDA Phase II upgrades are performed within this dissertation. 30 new BEGe detectors are characterized for their surface and active volume properties which is an essential ingredient for all future physics analyses in GERDA. These precision measurements reduce the systematic uncertainty of the active volume to a subdominant level. In extension to this, a new model for simulating pulse shapes of n+ electrode surface events is developed. With this model it is demonstrated that the dominant background of K-42 on the detector surfaces can be suppressed by a factor of 145 with an A/E pulse shape cut in Phase II. A further suppression of background is obtained by a liquid argon scintillation light veto. With newly developed Monte Carlo simulations, including the optical scintillation photons, it is demonstrated that Tl-208 in the detectors holders can be suppressed by a factor of 134. K-42 homogeneously distributed in the LAr can be suppressed with this veto in combination with pulse shape cuts by a factor of 170 for BEGe detectors. The characterization measurements and the developed simulation tools presented within this dissertation will help to enhance the sensitivity for all 0/2nbb decay modes and will allow to construct an improved background model in GERDA Phase II. / Die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall (0nbb) ist eines der aktivsten Felder der modernen Teilchenphysik. Der Zerfall setzt die Verletzung der Leptonenzahl voraus und hätte die Majorananatur des Neutrinos zur Folge. Die durch eine Beobachtung bestimmbare Halbwertszeit des Zerfalls ermöglicht, über ein nukleares Matrixelement, Zugang zur effektiven Majorananeutrinomasse. Die größten Unsicherheiten gehen dabei auf das Matrixelement zurück, welches nur durch verschiedene, teilweise stark voneinander abweichende theoretische Modelle zugänglich ist. Eine Möglichkeit diese Unsicherheiten zu reduzieren bieten genaue Studien des im Standardmodel erlaubten neutrinobegleiteten Doppelbetazerfalls (2nbb) in angeregte Zustände des Tochterkerns. In dieser Dissertation wird der 2nbb-Zerfall der Nuklide Pd-110, Pd-102 und Ge-76 in angeregte Zustände untersucht. Die Untersuchungen von Pd-110 und Pd-102 wurden in drei umfangreichen Gammaspektroskopie-Experimenten in den Untergrundlaboren Felsenkeller (Deutschland), HADES (Belgien) und LNGS (Italien) durchgefürt. Es wurde kein Signal beobachtet und damit die weltweit besten unteren Grenzen für die Halbwertszeit dieser Zerfälle festgesetzt: 2,9e20 yr, 3,9e20 yr und 2,9e20 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-110 and 7,9e18 yr, 9,2e18 yr und 1,5e19 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-102 (90% C.I.). Dies ist eine 1,3 bis 3-fache Verbesserung gegenüber den vorher bekannten Grenzen. Die Untersuchung des 2nbb-Zerfalls in Ge-76 basiert auf Daten aus Phase I (Nov. 2011 - Mai 2013) des 0nbb-Zerfall Experiments GERDA. Mit der auf koinzidenten Ereignissen basierten Analyse konnte kein Signal beobachtet werden und folgende untere Grenzen für die Halbwertszeit der 2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge wurden festgelegt: 1,6e23 yr, 3,7e23 yr und 2,3e23 (90% C.L.). Diese 100-fache Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Grenzen widerlegt eine Vielzahl älterer, zur Verfügung stehender Matrixelemente. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Dissertation für die Erweiterungen des GERDA Experiments zur Phase II wichtige Messungen durchgeführt und Verbesserungen entwickelt. 30 neu produzierte BEGe Detektoren wurden hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften sowie ihrer aktiven Volumina charakterisiert. Diese Präzisisionsmessungen sind für alle zukünftigen Analysen in GERDA notwendig und erlauben die entsprechenden systematischen Unsicherheiten auf ein subdominantes Niveau zu reduzieren. Erweiternd wurde ein neues Model zur Beschreibung der n+ Elektrode entwickelt, welches erstmals erlaubt die Pulsform von Oberflächeninteraktionen zu simulieren. Mithilfe dieses Models konnte demonstriert werden, dass der in Oberflächeninteraktionen begründete und in GERDA dominante Messuntergrund von K-42 auf der Detektoroberfläche durch Pulsformanalyse um das 145-fache unterdrückt werden kann. Eine weitere Untergrundreduzierung wird durch ein Flüssigargon Szintillationsveto erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vorhandene Monte Carlo Simulationen um den Transport von optischen Photonen erweitert und die 134-fache Unterdrückung des Tl-208 Untergrundes demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen eine deutliche Sensitivitätsverbesserung für die zuküntige Suche nach dem 0/2nbb-Zerfall zu erzielen und erlauben die Erstellung eines präziseren Untergrundmodels in GERDA Phase II.

The search for the neutrinoless double beta (0nbb) decay is one of the most active fields in modern particle physics. This process is not allowed within the Standard Model and its observation would imply lepton number violation and would lead to the Majorana nature of neutrinos. The experimentally observed quantity is the half-life of the decay, which can be connected to the effective Majorana neutrino mass via nuclear matrix elements. The latter can only be determined theoretically and are currently affected by large uncertainties. To reduce these uncertainties one can investigate the well established two-neutrino double beta (2nbb) decay into the ground and excited states of the daughter isotope. These similar processes are allowed within the Standard Model. In this dissertation, the search for 2nbb decays into excited states is performed in Pd-110, Pd-102 and Ge-76. Three gamma spectroscopy setups at the Felsenkeller (Germany), HADES (Belgium) and LNGS (Italy) underground laboratories are used to search for the transitions in Pd-110 and Pd-102. No signal is observed leading to lower half-live bounds (90% C.I.) of 2.9e20 yr, 3.9e20 yr and 2.9e20 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-110 and 7.9e18 yr, 9.2e18 yr and 1.5e19 yr for the 0/2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions in Pd-102, respectively. This is a factor of 1.3 to 3 improvement compared to previous limits. The data of Phase I (Nov 2011 - May 2013) of the 0nbb decay experiment GERDA at LNGS is used to search for excited state transitions in Ge-76. The analysis is based on coincidences between two detectors and finds no signal. Lower half-life limits (90 % C.L.) of 1.6e23 yr, 3.7e23 yr and 2.3e23 yr are obtained for the 2nbb 2p1, 0p1 and 2p2 transitions, respectively. These limits are more than two orders of magnitude larger than previous ones and could exclude many old matrix element calculations. In addition to the excited state searches, important measurements and improvements for GERDA Phase II upgrades are performed within this dissertation. 30 new BEGe detectors are characterized for their surface and active volume properties which is an essential ingredient for all future physics analyses in GERDA. These precision measurements reduce the systematic uncertainty of the active volume to a subdominant level. In extension to this, a new model for simulating pulse shapes of n+ electrode surface events is developed. With this model it is demonstrated that the dominant background of K-42 on the detector surfaces can be suppressed by a factor of 145 with an A/E pulse shape cut in Phase II. A further suppression of background is obtained by a liquid argon scintillation light veto. With newly developed Monte Carlo simulations, including the optical scintillation photons, it is demonstrated that Tl-208 in the detectors holders can be suppressed by a factor of 134. K-42 homogeneously distributed in the LAr can be suppressed with this veto in combination with pulse shape cuts by a factor of 170 for BEGe detectors. The characterization measurements and the developed simulation tools presented within this dissertation will help to enhance the sensitivity for all 0/2nbb decay modes and will allow to construct an improved background model in GERDA Phase II. / Die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall (0nbb) ist eines der aktivsten Felder der modernen Teilchenphysik. Der Zerfall setzt die Verletzung der Leptonenzahl voraus und hätte die Majorananatur des Neutrinos zur Folge. Die durch eine Beobachtung bestimmbare Halbwertszeit des Zerfalls ermöglicht, über ein nukleares Matrixelement, Zugang zur effektiven Majorananeutrinomasse. Die größten Unsicherheiten gehen dabei auf das Matrixelement zurück, welches nur durch verschiedene, teilweise stark voneinander abweichende theoretische Modelle zugänglich ist. Eine Möglichkeit diese Unsicherheiten zu reduzieren bieten genaue Studien des im Standardmodel erlaubten neutrinobegleiteten Doppelbetazerfalls (2nbb) in angeregte Zustände des Tochterkerns. In dieser Dissertation wird der 2nbb-Zerfall der Nuklide Pd-110, Pd-102 und Ge-76 in angeregte Zustände untersucht. Die Untersuchungen von Pd-110 und Pd-102 wurden in drei umfangreichen Gammaspektroskopie-Experimenten in den Untergrundlaboren Felsenkeller (Deutschland), HADES (Belgien) und LNGS (Italien) durchgefürt. Es wurde kein Signal beobachtet und damit die weltweit besten unteren Grenzen für die Halbwertszeit dieser Zerfälle festgesetzt: 2,9e20 yr, 3,9e20 yr und 2,9e20 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-110 and 7,9e18 yr, 9,2e18 yr und 1,5e19 yr für die 0/2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge in Pd-102 (90% C.I.). Dies ist eine 1,3 bis 3-fache Verbesserung gegenüber den vorher bekannten Grenzen. Die Untersuchung des 2nbb-Zerfalls in Ge-76 basiert auf Daten aus Phase I (Nov. 2011 - Mai 2013) des 0nbb-Zerfall Experiments GERDA. Mit der auf koinzidenten Ereignissen basierten Analyse konnte kein Signal beobachtet werden und folgende untere Grenzen für die Halbwertszeit der 2nbb 2p1, 0p1 und 2p2 Übergänge wurden festgelegt: 1,6e23 yr, 3,7e23 yr und 2,3e23 (90% C.L.). Diese 100-fache Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Grenzen widerlegt eine Vielzahl älterer, zur Verfügung stehender Matrixelemente. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Dissertation für die Erweiterungen des GERDA Experiments zur Phase II wichtige Messungen durchgeführt und Verbesserungen entwickelt. 30 neu produzierte BEGe Detektoren wurden hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften sowie ihrer aktiven Volumina charakterisiert. Diese Präzisisionsmessungen sind für alle zukünftigen Analysen in GERDA notwendig und erlauben die entsprechenden systematischen Unsicherheiten auf ein subdominantes Niveau zu reduzieren. Erweiternd wurde ein neues Model zur Beschreibung der n+ Elektrode entwickelt, welches erstmals erlaubt die Pulsform von Oberflächeninteraktionen zu simulieren. Mithilfe dieses Models konnte demonstriert werden, dass der in Oberflächeninteraktionen begründete und in GERDA dominante Messuntergrund von K-42 auf der Detektoroberfläche durch Pulsformanalyse um das 145-fache unterdrückt werden kann. Eine weitere Untergrundreduzierung wird durch ein Flüssigargon Szintillationsveto erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vorhandene Monte Carlo Simulationen um den Transport von optischen Photonen erweitert und die 134-fache Unterdrückung des Tl-208 Untergrundes demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen eine deutliche Sensitivitätsverbesserung für die zuküntige Suche nach dem 0/2nbb-Zerfall zu erzielen und erlauben die Erstellung eines präziseren Untergrundmodels in GERDA Phase II.

Neutrinooszillationen sind das einzige Phänomen jenseits des Standardmodells, das experimentell mit hoher statistischer Signifikanz bestätigt wurde. Diese Arbeit präsentiert eine Messung der atmosphärischen Neutrinooszillationen unter Verwendung von acht Jahren an Daten, die zwischen 2011 und 2019 vom IceCube DeepCore-Detektor aufgenommen wurden. Die Ereignisauswahl wurde im Vergleich zu früheren DeepCore-Messungen verbessert, wobei ein besonderes Augenmerk auf ihre Robustheit gegenüber systematischen Unsicherheiten in den Detektoreigenschaften gelegt wurde. Die Oszillationsparameter werden über eine Maximum-Likelihood-Fit an gebinnte Daten in der gemessenen Energie und Zenitwinkel geschätzt, wobei die Erwartungswerte aus gewichteten simulierten Ereignissen abgeleitet werdem. Diese Arbeit diskutiert den Simulations- und Datenauswahlprozess sowie die statistischen Methoden, die verwendet werden, um einen genauen Erwartungswert unter variablen Detektoreigenschaften und anderen systematischen Unsicherheiten zu liefern. Die Messung wird zunächst unter Verwendung des Standardmodells der Drei-Flavor-Oszillation durchgeführt, wobei das atmosphärische Massensplitting und der Mischwinkel auf $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3};\mathrm{eV}^2$ und $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$ geschätzt werden. Das Drei-Flavor-Modell wird dann um einen zusätzlichen Masseneigenzustand erweitert, der einem sterilen Neutrino mit Massensplitting $\Delta m^2_{41} = 1;\mathrm{eV}^2$ entspricht und mit den aktiven $\nu_\mu$- und $\nu_\tau$-Flavorzuständen mischen kann. Es wird kein signifikantes Signal eines sterilen Neutrinos beobachtet, und die Mischungsamplituden zwischen den sterilen und aktiven Zuständen werden auf $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ und $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ bei 90\% C.L. begrenzt. Diese Grenzwerte sind um den Faktor zwei bis drei strenger als das vorherige DeepCore-Ergebnis, und die Einschränkung von $|U_{\tau 4}|^2$ ist die stärkste der Welt. / Neutrino oscillations are the only phenomenon beyond the Standard Model that has been confirmed experimentally to a very high statistical significance. This work presents a measurement of atmospheric neutrino oscillations using eight years of data taken by the IceCube DeepCore detector between 2011 and 2019. The event selection has been improved over that used in previous DeepCore measurements with a particular emphasis on its robustness with respect to systematic uncertainties in the detector properties. The oscillation parameters are estimated via a maximum likelihood fit to binned data in the observed energy and zenith angle, where the expectation is derived from weighted simulated events. This work discusses the simulation and data selection process, as well as the statistical methods employed to give an accurate expectation value under variable detector properties and other systematic uncertainties. The measurement is first performed first under the standard three-flavor oscillation model, where the atmospheric mass splitting and mixing angle are estimated to be $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3}\;\mathrm{eV}^2$ and $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$, respectively. The three-flavor model is then extended by an additional mass eigenstate corresponding to a sterile neutrino with mass splitting $\Delta m^2_{41} = 1\;\mathrm{eV}^2$ that can mix with the active $\nu_\mu$ and $\nu_\tau$ flavor states. No significant signal of a sterile neutrino is observed and the mixing amplitudes between the sterile and active states are constrained to $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ and $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ at 90\% C.L. These limits are more stringent than the previous DeepCore result by a factor between two and three and the constraint on $|U_{\tau 4}|^2$ is the strongest in the world.